基于IEEE802．1 6e標(biāo)準(zhǔn)的LDPC編碼器設(shè)計與實現(xiàn)

摘要 根據(jù)IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中對LDPC碼的定義，利用FPGA對編碼器進(jìn)行了實現(xiàn)。所采用的算法使用了線性復(fù)雜度編碼，降低了邏輯資源占用量，并提高了編碼速度。
關(guān)鍵詞 IEEE 802．16e標(biāo)準(zhǔn)；低密度奇偶校驗碼；編碼器

    1962年Gallager在對糾錯編碼的研究中提出了LDPC碼，但是由于當(dāng)時的硬件條件不足，直到90年代末隨著超大規(guī)模集成電路的推廣才真正為人們所重視。雖然在高斯信道中LDPC(Low Density Parity Check，低密度奇偶校驗碼)碼相比其他編碼方法具有更優(yōu)良的性能，但是由于其逼近香農(nóng)限的性能是在較長的碼長情況下才能得到體現(xiàn)，使得實現(xiàn)起來具有相當(dāng)大的復(fù)雜度，即便是當(dāng)今的超大規(guī)模集成電路也很難直接實現(xiàn)較長碼長的編碼和解碼。于是如何構(gòu)造和改進(jìn)LDPC碼成為目前研究的熱點，而準(zhǔn)循環(huán)低密度奇偶校驗碼的發(fā)現(xiàn)，為LDPC編譯碼的硬件實現(xiàn)提供了可能。QC—LDPC碼具有更好的結(jié)構(gòu)性與隨機(jī)性，在保證碼的信道性能不變的前提下，極大的簡化了編碼和譯碼電路，是目前實現(xiàn)LDPC編譯碼器的主流算法。正是由于這些優(yōu)勢，LDPC碼已被WIMAX(IEEE802．16e)、WLAN(IEEE802．11n)、DVB-T等標(biāo)準(zhǔn)選定為信道編碼的備選編碼，并且極有可能成為第四代無線通信的編碼標(biāo)準(zhǔn)。

1 IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中對LDPC碼的規(guī)定
    IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中LDPC碼的校驗矩陣為
   
    其中，Pij被定義為z×z的單位變換矩陣或零矩陣，單位變換矩陣是通過對單位矩陣循環(huán)右移得到的。LDPC碼是由的效驗矩陣日定義，其中m是校驗位的長度，n是碼長的長度。基本矩陣中的移位集{p(i，j)}是用來決定相同碼率不同碼長的移位大小，對于碼率1／2、3／4A、3／4B、2／3B和5／6的各種碼，p(i，J)p(i，j)由式(2)決定。
   
    其中，[x]表示不大于x的最大整數(shù)。([x]為取整函數(shù))。
    在IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中各種碼長和碼率的校驗矩陣H都是由基本矩陣Hb膨脹得到的，每個基本矩陣有24列，膨脹因子z=n／24(n為碼長)。
IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)支持碼長從576到2 304共19種碼長。
    IEEE802．16e中對于不同碼率的LDPC碼給定了不同的基本矩陣，以碼率為1／2的碼為例，基本矩陣Hb如圖1所示。

    圖1中-1為全零陣；0為單位陣，其余標(biāo)號為相應(yīng)右移次數(shù)的單位陣。

2 基于IEEE802．16e的LDPC碼的快速編碼算法
    高編碼復(fù)雜度是LDPC碼需要解決的主要問題，LDPC編碼器直接實現(xiàn)具有和碼長成二次方的時間復(fù)雜度，而Turbo碼可以在線性時間內(nèi)編碼。于是如何使得LDPC碼能夠在與碼長成線性時間內(nèi)編碼就成為一個非常關(guān)鍵的問題。
    IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的LDPC碼是一種結(jié)構(gòu)性碼，其算法大大的降低了LDPC碼的編碼復(fù)雜度。但是如果采用傳統(tǒng)的編碼方法，其編碼復(fù)雜度仍令人難以接受。校驗矩陣H得到的生成矩陣是一個稀疏矩陣，所以可以根據(jù)校驗矩陣H的稀疏性以及準(zhǔn)循環(huán)特性來進(jìn)行快速編碼。
    IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中給出了3種LDPC快速編碼的算法。由于第3種編碼方式是最常用的，而且已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)只對第3種編碼方式進(jìn)行說明。
    為了說明效驗矩陣結(jié)構(gòu)，現(xiàn)將其分割為6個子矩陣表示



3 LDPC編碼算法的實現(xiàn)
    根據(jù)上述編碼算法，F(xiàn)PGA程序?qū)崿F(xiàn)了0．5碼率，碼長為2 304 bit，信息位為1 152 bit數(shù)據(jù)流的編碼。每幀送入1 152 bit原始數(shù)據(jù)流，經(jīng)過編碼后產(chǎn)生1 152 bit效驗位，因為是系統(tǒng)碼，所以將原始信息位后緊跟效驗位就可以合并成所要發(fā)送的編碼碼流。編碼器的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    從圖2可以看出，LDPC編碼器中主要包含矩陣乘法模塊，前項置換模塊，矢量加法模塊，以及生成碼字模塊。現(xiàn)對矩陣乘法模塊，前項置換模塊和碼字生成模塊進(jìn)行介紹。
    (1)矩陣乘法器模塊：主要由循環(huán)移位器和模二加法器組成。由于FPGA運(yùn)算的并行特點，編碼器在計算矩陣乘法時可按行并行操作。輸入的原始信息比特流與效驗矩陣Hb的每一行進(jìn)行相乘運(yùn)算時，首先按照RAM中存儲的非零列號找到相對應(yīng)的信息位中的矢量，并對該矢量進(jìn)行循環(huán)右移，循環(huán)右移的次數(shù)依照IEEE802．11e標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行控制，然后把這一行中的所有非零元素和信息位相乘所得結(jié)果做一次異或操作，這就是矩陣的一行與信息位相乘的結(jié)果。該過程可以并行執(zhí)行，同時完成矩陣中每一行與信息位的相乘運(yùn)算。
    (2)前項置換器模塊：IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，LDPC碼的效驗矩陣r是雙對角矩陣，所以對于乘矩陣T的逆的操作采用前項置換方法，其原理如下：
   
    所以在FPGA中進(jìn)行乘矩陣r的逆的計算，不必進(jìn)行求逆和相乘運(yùn)算，僅用異或運(yùn)算就能完成。
    (3)生成碼字模塊：主要作用是將原始信息位與效驗位p1和p2合成。在IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定LDPC碼為系統(tǒng)碼，所以將原始信息位與效驗位p1和p2按順序依次拼接起來，就是實際編碼后數(shù)據(jù)。

4 FPGA仿真結(jié)果分析
    在QuartusⅡ軟件下進(jìn)行編譯和綜合，器件選擇為Altera公司STRATIXII系列的EP2S90F1020C3，整個LDPC編碼器最高工作時鐘214 MHz，邏輯資源占用3 027 LE。LDPC碼編碼仿真結(jié)果如圖3所示。

    code_rden：編碼器使能標(biāo)志，高電平說明LDPC編碼器正在工作。
    matlab_code：LDPC編碼的Matlab仿真結(jié)果輸出。
    ldpc_code：LDPC編碼的FPGA仿真結(jié)果輸出。
    result_out：比對Matlab與FPGA仿真結(jié)果，輸出碼流進(jìn)行相減一直為零，說明仿真結(jié)果正確。

5 結(jié)束語
    文中分析了基于IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)的LDPC碼的校驗矩陣H，然后在QuartusⅡ平臺下根據(jù)分塊矩陣的快速編碼算法設(shè)計了一種編碼器，滿足IEEE802．16e標(biāo)準(zhǔn)的碼長為2 304，碼率為1／2的LDPC碼的編碼要求，并仿真驗證了LDPC編碼器的性能。仿真結(jié)果證明通過合理的構(gòu)造LDPC碼的校驗矩陣以及選擇合適的編碼算法，可以有效降低編碼復(fù)雜度，并實現(xiàn)了線性編碼。